基于傳統(tǒng)裝備制造業(yè)的分布式數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

畢啟亮，王紹興

（1.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450）

“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國(guó)”已成為“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要重要的內(nèi)容。很多發(fā)達(dá)城市先后出臺(tái)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)施方案及政策措施。尤其是疫情讓人們意識(shí)到數(shù)字化的價(jià)值，包括提升業(yè)務(wù)韌性、促進(jìn)效率提升和可持續(xù)發(fā)展等[1]，雙碳目標(biāo)則進(jìn)一步加速了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，“十四五”將成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的爆發(fā)期，數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化正成為大勢(shì)所趨。

與傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)模式不同，數(shù)字化技術(shù)環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員以數(shù)字化模型為載體，多人協(xié)作，能夠同步、交叉進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)，降低企業(yè)開(kāi)發(fā)成本。對(duì)用戶(hù)需求能否給予即時(shí)響應(yīng)，決定了企業(yè)是否能夠在市場(chǎng)中占得先機(jī)。然而，由用戶(hù)需求所衍生出的一系列業(yè)務(wù)活動(dòng)并非能由任何一家企業(yè)獨(dú)立完成。現(xiàn)代商業(yè)環(huán)境是實(shí)體之間相互依賴(lài)形成的網(wǎng)絡(luò)，他們相互連接以創(chuàng)建和獲取價(jià)值[3]。

經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)賦能的傳統(tǒng)裝備制造業(yè)，正在以前所未有的開(kāi)放心態(tài)迎接數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代。但是由于缺乏數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，大量依靠經(jīng)驗(yàn)和人力，以致無(wú)法有效、及時(shí)地響應(yīng)快速發(fā)展的市場(chǎng)的需求[4]。要順利進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，必須先練好內(nèi)功，強(qiáng)化產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、成本控制及質(zhì)量管控能力。

文章面向傳統(tǒng)裝備制造業(yè)，基于模塊化系列化創(chuàng)新理論，以提升產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率為目標(biāo)，開(kāi)展了面向產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真分析等關(guān)鍵技術(shù)研究，以減速器產(chǎn)品設(shè)計(jì)為應(yīng)用實(shí)施對(duì)象，形成產(chǎn)品的模塊化資源庫(kù)和數(shù)字化設(shè)計(jì)分析集成平臺(tái)。

1 數(shù)字化集成平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法[5]，基于企業(yè)已有的基型產(chǎn)品，研究產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真分析的數(shù)字化集成平臺(tái)技術(shù)。

平臺(tái)開(kāi)發(fā)建設(shè)有5 個(gè)功能模塊：基礎(chǔ)支撐子系統(tǒng)、平臺(tái)管理子系統(tǒng)、設(shè)計(jì)計(jì)算子系統(tǒng)、仿真分析子系統(tǒng)、圖紙優(yōu)化子系統(tǒng)。

基礎(chǔ)支撐子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與商業(yè)設(shè)計(jì)軟件、分析軟件、工程制圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與系統(tǒng)操作控制，是平臺(tái)與商業(yè)軟件交互的接口；平臺(tái)管理子系統(tǒng)作為交互窗口，負(fù)責(zé)監(jiān)控、協(xié)調(diào)平臺(tái)各模塊的工作狀態(tài)；設(shè)計(jì)計(jì)算子系統(tǒng)與仿真分析子系統(tǒng)作為核心子系統(tǒng)，執(zhí)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析全過(guò)程；圖紙優(yōu)化子系統(tǒng)執(zhí)行圖紙優(yōu)化配置計(jì)算并返回圖紙優(yōu)化計(jì)算數(shù)據(jù)。

平臺(tái)管理子系統(tǒng)獲取各返回?cái)?shù)據(jù)，將其傳遞給基礎(chǔ)支撐子系統(tǒng)，由分布集成軟件執(zhí)行模型優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真分析、圖紙優(yōu)化配置等功能，并向用戶(hù)反饋優(yōu)化結(jié)果[6]。數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)功能主題域劃分如圖1 所示。

圖1 數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)功能主題域劃分

2 平臺(tái)關(guān)鍵業(yè)務(wù)功能模型分析

2.1 平臺(tái)管理功能

平臺(tái)管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)向各子系統(tǒng)提供各類(lèi)數(shù)據(jù)以及發(fā)布操作命令，是數(shù)字化設(shè)計(jì)分析集成平臺(tái)總體業(yè)務(wù)功能的基礎(chǔ)平臺(tái)支撐[7]。除了提供交互窗口界面，還對(duì)數(shù)據(jù)管理、設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析、權(quán)限管理等各子系統(tǒng)之間的交互給予支撐。

平臺(tái)數(shù)據(jù)管理有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、設(shè)計(jì)規(guī)則管理、參數(shù)數(shù)據(jù)管理等。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心[8]，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程展開(kāi)的基礎(chǔ)。

文檔管理功能是平臺(tái)管理的關(guān)鍵功能，主要有文檔模板管理、文檔版本管理和文檔目錄管理。負(fù)責(zé)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的模型文檔、數(shù)據(jù)文檔、報(bào)表文檔等實(shí)施模板化管理、版本的管理及分類(lèi)檢索管理。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算功能

設(shè)計(jì)計(jì)算子系統(tǒng)是數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的關(guān)鍵核心子系統(tǒng)之一，負(fù)責(zé)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)[9-10]提供支撐，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算功能。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程主要分為3 類(lèi)：整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)、打開(kāi)已有產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計(jì)。

整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能是對(duì)產(chǎn)品整機(jī)的外形、結(jié)構(gòu)進(jìn)行初設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)分析的過(guò)程。設(shè)計(jì)師選定好基型模板后，進(jìn)入相關(guān)的設(shè)計(jì)流程，平臺(tái)會(huì)根據(jù)基型模板自動(dòng)調(diào)用相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品模型和數(shù)據(jù)。整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的總體業(yè)務(wù)流程如圖2 所示。

圖2 整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)總體業(yè)務(wù)流程

結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)是針對(duì)產(chǎn)品的組成關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)人員基于產(chǎn)品整機(jī)模板選擇基型零件，進(jìn)入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)流程，平臺(tái)根據(jù)設(shè)計(jì)流程查詢(xún)零件的初始數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的零件文檔，設(shè)計(jì)人員對(duì)該零件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、校核計(jì)算、有限元分析及圖紙優(yōu)化配置等功能。

在設(shè)計(jì)計(jì)算子系統(tǒng)各業(yè)務(wù)流程中，設(shè)計(jì)用戶(hù)通過(guò)平臺(tái)管理子系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)模式類(lèi)型，進(jìn)入不同的設(shè)計(jì)流程，平臺(tái)管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與用戶(hù)交互，同時(shí)與設(shè)計(jì)計(jì)算子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)計(jì)算子系統(tǒng)承載設(shè)計(jì)過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用?；A(chǔ)平臺(tái)模塊維護(hù)了設(shè)計(jì)類(lèi)型和設(shè)計(jì)模板的選擇，知識(shí)庫(kù)管理模塊負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的數(shù)據(jù)維護(hù)和存儲(chǔ)，文檔管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)過(guò)程的模型維護(hù)與存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)計(jì)算子系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊負(fù)責(zé)維護(hù)與調(diào)用具體設(shè)計(jì)流程，參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊負(fù)責(zé)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程，校核計(jì)算模塊負(fù)責(zé)整機(jī)與零件的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，基礎(chǔ)支撐子系統(tǒng)該負(fù)責(zé)模型與參數(shù)的應(yīng)用。

2.3 仿真分析功能

仿真分析子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)產(chǎn)品的有限元分析[11]、裝配仿真、運(yùn)動(dòng)仿真等過(guò)程給予支撐。用戶(hù)通過(guò)平臺(tái)管理子系統(tǒng)與該子系統(tǒng)進(jìn)行交互，提取仿真流程、仿真模板、分析算法，執(zhí)行產(chǎn)品的仿真分析。仿真分析過(guò)程分為3 類(lèi)：關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件有限元分析、整機(jī)裝配仿真、整機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真。

在仿真分析子系統(tǒng)各業(yè)務(wù)流程中，設(shè)計(jì)用戶(hù)可以通過(guò)平臺(tái)管理子系統(tǒng)選擇仿真模式類(lèi)型，進(jìn)入不同的仿真流程。仿真分析子系統(tǒng)承載仿真過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用。其中仿真分析基礎(chǔ)模塊負(fù)責(zé)維護(hù)與調(diào)用具體仿真分析流程，有限元分析模塊負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)件的有限元分析計(jì)算，裝配仿真模塊負(fù)責(zé)整機(jī)的裝配仿真計(jì)算，運(yùn)動(dòng)仿真模塊負(fù)責(zé)整機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算。整機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析業(yè)務(wù)流程如圖3 所示。

圖3 整機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析業(yè)務(wù)流程

2.4 圖紙配置功能

圖紙優(yōu)化子系統(tǒng)負(fù)責(zé)優(yōu)化配置輸出產(chǎn)品工程圖紙，包括圖紙參數(shù)變更配置、模板變更、版本切換、圖紙批量打印與輸出功能等。設(shè)計(jì)人員可通過(guò)選擇圖紙優(yōu)化模式類(lèi)型，進(jìn)入不同的優(yōu)化流程。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)例應(yīng)用

平臺(tái)建設(shè)從邏輯上分為6 個(gè)主要層次：用戶(hù)交互層、核心業(yè)務(wù)邏輯層、基礎(chǔ)業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層、文檔訪(fǎng)問(wèn)層、系統(tǒng)集成層。用戶(hù)交互層提供用戶(hù)交互頁(yè)面，核心業(yè)務(wù)邏輯層提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、圖紙優(yōu)化的業(yè)務(wù)邏輯計(jì)算流程功能調(diào)用，基礎(chǔ)業(yè)務(wù)邏輯層提供平臺(tái)基礎(chǔ)管理功能調(diào)用，數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層提供數(shù)據(jù)的封裝與接口調(diào)用[12]，文檔訪(fǎng)問(wèn)層提供平臺(tái)相關(guān)文檔的封裝存儲(chǔ)接口調(diào)用，系統(tǒng)集成層負(fù)責(zé)封裝與外部系統(tǒng)交互接口。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)示意圖

為保證平臺(tái)的穩(wěn)定性、復(fù)用性、擴(kuò)展性和獨(dú)立性，平臺(tái)有區(qū)別地對(duì)各個(gè)層暴露不同程度的擴(kuò)展接口。

以減速器設(shè)計(jì)為對(duì)象，基于Windows 操作系統(tǒng)，采用Visual Studio 程序平臺(tái)，集成SolidWorks、eDrawings、ANSYS、AutoCAD、Office、Matlab 等軟件，應(yīng)用SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)及C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)完成分布式數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)減速器快速設(shè)計(jì)、仿真集成、圖紙優(yōu)化輸出以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能。

設(shè)計(jì)計(jì)算子系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)：減速器整機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖5 所示，減速器輸出盤(pán)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖5 減速器整機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

圖6 減速器輸出盤(pán)參數(shù)設(shè)計(jì)

仿真分析子系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)：減速器齒輪嚙合等效應(yīng)力分布云圖如圖7 所示，減速器曲柄軸位移矢量圖如圖8 所示。

圖7 減速器齒輪嚙合等效應(yīng)力分布云圖

圖8 減速器曲柄軸位移矢量圖

圖紙優(yōu)化子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：減速器輸出軸圖紙配置輸出如圖9 所示。

圖9 減速器輸出軸圖紙配置輸出

平臺(tái)管理子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：減速器針齒殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則管理如圖10 所示。

圖10 減速器針齒殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則管理

樣機(jī)3D 打?。航?jīng)過(guò)文中數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)輸出的模型，通過(guò)3D 打印技術(shù)進(jìn)行尺寸驗(yàn)證，減速器整機(jī)3D打印樣機(jī)總裝配如圖11 所示。

圖11 減速器整機(jī)3D 打印樣機(jī)總裝配

4 結(jié)束語(yǔ)

文章從傳統(tǒng)裝備制造業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中的需求出發(fā)，構(gòu)建了分布式數(shù)字化設(shè)計(jì)分析集成平臺(tái)，并以減速器為實(shí)施對(duì)象進(jìn)行了應(yīng)用，有效促進(jìn)了企業(yè)信息化進(jìn)程。

通過(guò)分布式集成平臺(tái)建設(shè)，為行業(yè)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真集成和信息化提供參考路徑。文中所構(gòu)建的快速設(shè)計(jì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了快速產(chǎn)品設(shè)計(jì)，結(jié)合3D 打印技術(shù)，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期，提高了企業(yè)的市場(chǎng)反應(yīng)能力，降低了企業(yè)設(shè)計(jì)成本。

文章研究成果將支持傳統(tǒng)裝備制造業(yè)加快步入新型的數(shù)字化工作模式，支持企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、分布式、數(shù)字式的組織模式。平臺(tái)中關(guān)鍵技術(shù)的成功應(yīng)用可在其他相關(guān)行業(yè)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。